Перспективы развития компьютерных технологий

Лицо современной цивилизации стремительно меняется. Постепенно увеличивается доля так называемых высоких технологий, среди которых центральное место занимают полупроводниковые и компьютерные технологии. Информационные технологии и связанные с ними отрасли занимают все большую долю в современном хозяйственном механизме, принося до 90% прибыли высокоразвитым странам, являясь источником их богатства и процветания. Правда, необходимо отметить, что последние несколько лет наблюдался значительный спад в наукоемких отраслях производства. Это дало даже основание для ряда аналитиков говорить о перегреве рынка инвестиций, переоценке акций наукоемких производств и даже закате компьютерных технологий. Высокие темпы развития полупроводниковых и компьютерных технологий, связанных с привлечением и расходованием значительных ресурсов, требуют тщательного планирования процессов исследования и производства. Это планирование невозможно без координации работы многих сотен тысяч специалистов, занятых в современных международных интеграционных процессах. На сессиях Форумов анализируются темпы развития указанных отраслей, рассматриваются проблемы, анонсируются новейшие технологии и изделия. На некоторых конференций специалисты Intel продемонстрировали образцы некоторых перспективных изделий. Среди представленных новейших разработок находились исследования в области фотоэлектронных изделий. Данные исследования получили обобщающее наименование фотоника. Перспективность данных исследований заключается в том, что свет, как известно, обладает беспрецедентной информационной емкостью. Работы в области создания фотоэлектронных приборов ведутся во всем мире. Можно добавить что кремниевая микрофотоника найдет применение в различных устройствах и системах. Например, в системах связи, компьютерной технике, оптических устройствах хранения информации и устройствах оптического управления. В числе перспективных проектов были названы проводимые в Intel работы по исследованию влияния компьютерных технологий и знаний на культуры разных народов и стран. В какой-то степени с этими исследованиями пересекается проект "Цифровой дом", целью которого является расширить функциональные возможности современного компьютера. Разработка Intel, получившая наименование технология LCOS (Liquid Crystal on Silicon). Эта разработка привела к созданию на основе полупроводниковых технологий Intel миниатюрных дисплеев, позволяющих создать высококачественные проекционные экраны и компактные проекторы для домашнего кинотеатра. Но они могут быть использованы и как средства отображения информации компьютерных систем. А так же разработки в сфере информационных технологий найдут свое применение в области офисного бизнеса (пересечение с проектом «Цифровой дом»), развитие искусственного интеллекта, нано технологий, автомобилестроения и многого-многого другого.

34. История развития знаний о веществе. Фундаментальные законы о составе и свойствах вещества.

Естествознание как наука о явлениях и законах природы включает одну из важнейших отраслей – химию. В современном понимании химия – наука о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава и (или) строения.

История развития химических знаний:

· Древние времена. Демокрит и его последователь Эпикур – основоположники античной атомистики – высказали идею: все тела состоят из неделимых материальных частиц – атомов, различающихся формой и величиной.

· Натурфилософскому атомистическому учению о строении вещества противопоставлялась алхимия – донаучное направление в развитии химии, возникшее в III–IV вв. н. э. Основная цель алхимии – нахождение так называемого «философского камня» для превращения неблагородных металлов в золото и серебро, получения эликсира долголетия и т. д.

Первое научное определение химического элемента в 1661 г. сформулировал английский химик и физик Р. Бойль (1627–1691 гг.), положивший начало экспериментальному химическому анализу. В современном представлении химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Основываясь на результатах своих экспериментов, Р. Бойль сделал важный вывод: качества и свойства вещества зависят от того, из каких химических элементов оно состоит.
Принято считать, что химия стала подлинной наукой во второй половине XVIII в., когда первый российский ученый-естествоиспытатель, гениальный ученый М.В. Ломоносов (1711–1765) сформулировал принцип сохранения материи и движения и исключил из числа химических агентов флогистон – невесомую материю. Первая химическая теория – теория флогистона, согласно которой металлы железо, медь, свинец и др. считались сложными телами, состоящими из соответствующих элементов и универсального «невесомого тела» – флогистона, оказалась ошибочной. Выяснив роль кислорода в процессе горения, окисления и дыхания, французский химик А.Л. Лавуазье (1743– 1794) окончательно опроверг теорию флогистона.

В начале XIX в. английский химик и физик Дж. Дальтон (1766–1844) заложил основы химической атомистики. Он впервые ввел понятие «атомный вес» и определил атомные массы (веса) ряда элементов. Он установил в 1803 г. важный закон – закон кратных отношений: если два химических элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся, как целые числа, обычно небольшие.
В 1811 г. итальянский физик и химик А. Авогадро (1776–1856) ввел понятие «молекула» и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества. Молекула – микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию. Атомно-молекулярные представления утвердились лишь в 60-х годах XIX в. В те годы, а именно в 1861 г., выдающийся русский химик A.M. Бутлеров (1828–1886) создал и обосновал теорию химического строения вещества, согласно которой свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием. Немного позднее – в 1869 г.– другой выдающийся русский химик – Д.И. Менделеев (1834– 1907) открыл периодический закон химических элементов – один из фундаментальных законов естествознания. Современная формулировка данного закона такова: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Заряд ядра равен атомному (порядковому) номеру элементов в периодической системе Менделеева.

По мере развития химических знаний отдельные области химии стали вполне самостоятельными отраслями естествознания. На стыке химии и других отраслей естествознания возникли, например, биохимия, агрохимия, геохимия.

В последние десятилетия благодаря открытию новых явлений и эффектов появилась реальная возможность проводить экспериментальные химические исследования на более высоком уровне – молекулярном. Такие исследования позволили раскрыть механизм многих процессов в живом организме, синтезировать не существующие в природе вещества с необычными свойствами, установить сложную структуру молекулы ДНК, расшифровать молекулярный генный механизм наследственности и благодаря применению современной лазерной техники и высокочувствительных приборов удалось зарегистрировать быстропротекающие химические процессы, возможность протекания которых раньше даже не предполагалась.

36. Современные средства управления химическими процессами. Синтез органических и неорганических соединений. Селективный и фотохимический синтез. Биосинтез. Современный катализ.

Синтез органических и неорганических соединений. Важнейший предмет изучения быстро развивающейся неорганической химии биосистем – строение ближайшего и дальнего окружения атомов металлов и его изменение под воздействием кислотных агентов, давления кислорода и других факторов. Быстро развивается еще одна отрасль – химия элементоорганических соединений. Для исследования сложнейших структур и связей таких соединений применяются новейшие методы спектроскопии и рентгеноструктурного анализа, позволившие открыть большое семейство соединений со сложной структурой.

Химики-металлоорганики стремятся создать новые катализаторы для фиксации азота (превращения молекулярного азота N₂ в аммиак NH₃). Одно из важных достижений – синтез соединений, способных избирательно взаимодействовать с теми молекулами, которые долгое время считались слишком инертными для химических превращений, но представляли и представляют практический интерес. С участием металлоорганических соединений осуществляются важные промежуточные стадии многих органических реакций. Сравнительно новая отрасль химической науки – химия композиционных структур – позволила синтезировать из двух или более веществ композиты, свойства которых превосходят свойства каждого из них. Другой интересный новый класс материалов – композиты на сверхтонких волокнах. Одна из главных задач химии композитов – изучение взаимодействия компонентов в таких сложных композиционных системах.

Селективный и фотохимический синтез. Одна из важнейших задач органической химии – достижение селективности, которая соответствует строго определенным структурным изменениям в молекуле. Для решения такой довольно трудной задачи нужно изучить реакционную способность реагентов для каждого типа связи – хемоселективность, создать при взаимодействии реагентов их правильную ориентацию – региоселективность и заданную периодическую пространственную конфигурацию – стереоселективность. Широкое распространение получила реакция циклоприсоединения с образованием пятичленных циклов.

Фотохимический синтез основан на действии излучения. После поглощения энергии молекула переходит в возбужденное энергетическое состояние. Химические свойства молекулы существенно зависят от свойств поглощенного света. В результате фотохимического синтеза получены многие биологически активные соединения. Активность фотохимического синтеза в значительной степени зависит от длины волны возбуждающего света и температуры.

Биосинтез

Биосинтез - образование органических веществ из более простых соединений, протекающее в живых организмах или вне их под действием биокатализаторов — ферментов. Биосинтез — часть процесса обмена веществ растений, животных и микроорганизмов. Непосредственным источником энергии для Биосинтеза служат богатые энергией соединения, а в конечном счёте— энергия солнечного излучения, аккумулированная зелёными растениями. Каждый одноклеточный организм, как и каждая клетка многоклеточного организма, синтезирует составляющие её вещества. Характер Биосинтеза, осуществляемого в клетке, определяется наследственной информацией, "закодированной" в её генетическом аппарате. Биосинтез, производимый вне организмов, широко применяется как способ промышленного получения биологически важных веществ — витаминов, некоторых гормонов, антибиотиков, аминокислот, а также белков и других соединений. Нашел применение в микробиологической промышленности.

Катализ

Катализ – ускорение химической реакции в присутствии веществ – катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. Некоторые катализаторы позволяют уменьшить в химических превращениях не только температуру, но и давление. Ряд катализаторов существенно ускоряет химические реакции.

Основные виды катализа:

· Гетерогенныйкатализ (химическая реакция происходит в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела и газообразной или жидкой смеси реагентов);

· Гомогенныйкатализ (исходные реагенты находятся в одной фазе (газовой или жидкой));

· Электрокатализ (реакция протекает на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока. В нем в отличие от гетерогенного катализа возможно управление химическим процессом при изменении электрического тока);

· Фотокатализ (химическая реакция стимулируется энергией поглощенного излучения, и она может происходить на поверхности твердого тела (в том числе и на поверхности электрода) или в жидком растворе);

· Процесс с участием ферментов называется ферментативнымкатализом. Ему присущи свойства как гетерогенного, так и гомогенного катализа.

37. Запасы и потребление сырья. Металлы. Неметаллическое сырье. Природный газ. Углерод. Вторичное сырье. Нефть. Уголь. Биомасса. Древесина.

Основная масса сырья для химической промышленности добывалась и добывается из недр земной коры. Доступная современным средствам массовой добычи толщина верхнего слоя земной коры составляет от 1 до 2 км. И в таком сравнительно тонком слое содержится не менее 20 000 блн т железа, 40 блн т меди, 48 блн т цинка, 7,2 блн т свинца и т. п. Почти 98,6 % поверхностного, физически доступного слоя земной коры составляет вещество, состоящее из всего лишь восьми химических элементов: кислород (47,0%), кремний (27,5%), алюминий (8,8%), железо (4,6%), кальций (3,6%), натрий (2,6%), калий (2,5%) и магний (2,1%).

Многие промышленно развитые страны вынуждены ввозить сырье. Запасы сырья, добываемых с помощью современных технических средств во всем мире, быстро исчерпываются. Решающую роль в сбережении природных ресурсов должны сыграть не только новые способы добычи, но и новейшие химические технологии, которые позволят применять более доступное и дешевое сырье с необычным элементным составом. Возрастающую потребность могут удовлетворить: разработка новых месторождений, в том числе и морских шельфов, и добыча сырья, содержащегося в морской воде; освоение бедных месторождений; утилизация отходов; замена дефицитного сырья.

Металлы: в недрах Земли содержится достаточно большое количество металлов, но их доля в тех соединениях, из которых они могут быть извлечены для промышленных целей, весьма ограничена. Самое необходимое, важное и широко потребляемое из всего металлического сырья – железо – четвертый по распространенности в земной коре элемент. Медь – второй по практической значимости металл. Запасы другого важнейшего легкого металла – магния – достаточно велики – около 2,1% массы земной коры. В обыденной жизни относительно редко встречаются такие металлы, как титан, неодим, литий, рубидий, европий, тантал и другие, но в природе они не так уж редки. Предполагается, что для добычи сырья некоторых металлов уже в ближайшем будущем существенно возрастет объем работ под водой – на морском шельфе.

Неметаллическое сырье: неметаллы – сера, фосфор, азот, кислород, хлор и др. – ценны в образуемых ими соединениях. Один из важнейших видов неметаллического сырья – азот ( он входит в состав белков, широко применяется для производства удобрений и других промышленных продуктов). Не менее важным химическим сырьем является кислород (м ногие химические реакции – процессы окисления – протекают при прямом или косвенном участии этого элемента). С увеличением объема производства соляной кислоты и винилхлорида потребность в следующем неметаллическом сырье – хлоре – постоянно возрастает. Все большее практическое значение для развития общества приобретают искусственные строительные материалы: гипс, цемент, бетон и др. Для производства большинства химических продуктов требуется вода. Она служит растворителем, теплоносителем и исходным сырьем для получения кислорода и водорода.

Углерод: углерод по распространенности в природе занимает тринадцатое место. Быстрыми темпами растет потребление природного газа. На смену нефти и природному газу придет уголь, и лидирующее место займет химия угля. Вторичное сырье: Среди многообразия вторичного сырья металлы занимают первое место по потреблению. Весомый сырьевой потенциал представляют зола и шлаки, остающиеся после сжигания угля. В настоящее время выпускаются большие объемы пластмассовой продукции. Сбор и переработка вторичного сырья, конечно, требуют вполне определенных капиталовложений, но следует помнить, что применение некоторых видов вторичного сырья обходится все же дешевле, чем переработка первичного сырья. Нефть: потребность увеличивается => увеличивается и потребление. В результате переработке нефти (крекинг) получается более двух десятков основных соединений. Наиболее важные из них – олефины, диолефины (этилен, пропилен, бутадиен, изопрен), ароматические соединения (бензол, толуол, ксилол) и газовая смесь оксида углерода с водородом. Уголь: Мировые запасы доступного для разработки угля в 20–40 раз превосходят нефтяные ресурсы. Уголь – наиболее распространенное в природе минеральное топливо, роль которого в ближайшие десятилетия будет расти по мере истощения нефтяных и газовых месторождений. Природный газ: Один из важнейших источников энергоресурсов – природный газ – представляет собой смесь углеводородов с относительно небольшой молекулярной массой. Состав природного газа весьма разнообразен. Обычно он содержит 60–80% метана, остальное приходится на этан, пропан и бутан, соотношение которых может быть различным. Источники природного газа и нефти ограничены и быстро истощаются. Биомасса: Биомасса – один из потенциальных источников энергоресурсов. Из нее в результате жизнедеятельности анаэробных бактерий, называемой анаэробным дыханием, ежегодно в атмосферу выделяется 500–800 млн. т метана. Возможно, в скором будущем в результате специальных операций генной инженерии удастся выращивать растения, пополняющие продовольственные ресурсы и биомассу. Древесина: Лесные массивы – не только источник громадных природных энергоресурсов, но и один из основных поставщиков кислорода, необходимого для обеспечения жизнедеятельности чрезвычайно большого множества живых организмов. Использование: производство бумаги, дрова и тд.

38. Новые химические элементы. Радиоактивные изотопы. Плазмохимические процессы. И прочее.

Деятельность людей осуществляется в материальной сфере, заполненной многочисленными соединениями и их составляющими – элементами периодической системы Менделеева. Еще до 30-х годов нашего столетия эта система состояла из 88 элементов. С учетом свободных в ней было всего 92 места. Элемент с атомным номером 92 – это уран. Предполагается, что на первоначальной стадии развития Земли существовали и трансурановые элементы с порядковыми номерами до 106. Такие элементы имели небольшую продолжительность жизни по сравнению с возрастом Земли и поэтому полностью распались. Самым долгоживущим элементом и данной группы оказался плутоний-244 с периодом полураспада 82,2 млн. лет, и его существование на Земле поэтому вполне вероятно.

В 1940 г. был получен первый трансурановый элемент – нептуний, а за три года до этого открыт первый искусственный элемент – технеций. Затем в лабораторных условиях были зарегистрированы еще 15 трансурановых элементов с атомными номерами до 107. В Объединенном институте ядерных исследований в подмосковном городе Дубна были открыты элементы с номерами 104, 105, 106 и 107. Элемент с номером 104 носит название курчатовий.

Изотопы – разновидности химических элементов, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Различают устойчивые (стабильные) и радиоактивные изотопы. Радиоактивные изотопы широко применяются не только в атомной энергетике, но и в разнообразной приборной технике, медицине и т. п. Они служат для определения плотности, однородности, гигроскопичности и других характеристик разных материалов.

Плазмохимические процессы протекают в слабоионизированной, или низкотемпературной плазме, при температуре от 1000 до 10 000° С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием ионизированных и неионизированных частиц, столкновения которых приводят к очень высокой скорости химических реакций. Плазмохимические процессы высокопроизводительны.

Технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза основана на реакции горения одного металла в другом или металла в азоте, углероде, кремнии и т.п. Технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза не требует громоздких процессов и печей и отличается высокой технологичностью. Данная технология легко поддается автоматизации.

Химические реакции при высоких давлениях. Химические превращения веществ при давлениях выше 100 атм относятся к химии высоких давлений. При высоком давлении сближаются и деформируются электронные оболочки атомов, вследствие чего повышается химическая реакционная способность реагентов. Высокое давление ведет к существенному изменению физических и химических свойств вещества. С повышением давления многие вещества переходят в металлическое состояние.

Синтетические материалы. В последние десятилетия синтезированы материалы, обладающие удивительными свойствами. Вряд ли можно перечислить все виды современных материалов. Одними из самых распространенных являются полимеры. Разнообразная одежда из полиэфира, полиэтиленовая посуда, ковры из полипропилена, мебель из полистирола, шины из полиизопрена и т. п.– все это примеры чрезвычайно большого многообразия применений полимеров. Один из таких материалов – кевлар.

Современные пластмассы. Пластмассы – это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения. Пластмассы различаются по эксплуатационным свойствам (например, антифрикционные, атмосферо-, термо- или огнестойкие), виду наполнителя, а также по типу полимера.Изменяя структуру молекул и их разнообразные комбинации, можно синтезировать пластмассы с заданными свойствами. С каждым днем растет доля полимерных материалов в строительной индустрии. Все большую долю материалов составляют разнообразные виды пластмасс для изготовления деталей автомобиля.

Эластомеры. К полимерным материалам относится и каучук. Многочисленные изделия из данного материала, в том числе и широко распространенная резина, обладают отличительным свойством – эластичностью. Такое свойство объединяет многие эластичные материалы в одну группу эластомеров. Долгое время был известен только один эластичный материал – природный каучук. Сфера применения эластомеров весьма разнообразная – от машиностроения до обувной промышленности, но все же значительная их доля идет на изготовление шин, потребность в которых с ростом потока автомобилей постоянно возрастает. Точно так же производство синтетической кожи сохраняет сырье животного происхождения.

Синтетические ткани. Сначала применялись красители, а затем синтетические волокнистые ткани (начало XIX в.).

Традиционные материалы с новыми свойствами. Древесина станет важным химическим сырьем для получения искусственных веществ: фурфурола, фенола, текстиля, топлива, сахара, белков, витаминов и других ценных продуктов. Широко применяются стекловолокнистые материалы. Применение стекловолокна в качестве светопровода породило новую отрасль естествознания – волоконную оптику. Стекловолокна – весьма перспективные средства передачи информации. Современное стекло – традиционный материал, обладающий новыми свойствами.

Средства сохранения материалов. Для сохранения качества материалов и изготовленных из них изделий применяются различные средства защиты. Самая распространенная мера защиты от коррозии – окраска. Слой краски защищает изделия из древесины от гниения. Один из перспективных способов защиты от коррозии – формирование слоя своеобразной ржавчины, предохраняющего металл от дальнейшего разрушения.

Замена материалов. Замена происходит обычно в двух случаях: когда возникает дефицит старого материала и когда новый материал более эффективен. Материал-заместитель должен обладать лучшими свойствами. В последние десятилетия древесина стала вытесняться алюминием и пластмассами. В дальнейшем пластмассы будут заменяться композиционными материалами, разработке которых уделяется большое внимание.

Перспективные материалы. В последние десятилетия создана естественнонаучная база для разработки принципиально новых материалов с заданными свойствами. Так, в разработке сверхпрочных материалов достигнуты определенные успехи. К настоящему времени разработаны перспективные способы изготовления термостойких материалов. Жидкие кристаллы – это жидкости, обладающие как и кристаллы анизотропией свойств (в частности, оптических), связанной с упорядоченной ориентацией молекул. Оптические материалы. Тончайшие кварцевые нити вытесняют медную проволку, из которой в течение длительного времени изготовлялись многожильные кабели. На смену электрическому сигналу, посылаемому по медному проводу, постепенно приходит значительно более информативный световой сигнал, распространяющийся по светопроводящим волокнам.Благодаря применению новых магнитных материалов и в результате совершенствования технологии изготовления всех тонкопленочных элементов магнитного накопителя за относительно короткий срок поверхностная плотность записи информации увеличилась в пять раз.